汽車(chē)的輕量化有著巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益，車(chē)身輕量化是其中的重要組成部分。新能源汽車(chē)需要搭載大容量動(dòng)力電池以增加續(xù)駛里程，電池的安全性也十分重要，要求車(chē)身在保證車(chē)內(nèi)乘員和電池安全性的同時(shí)提供盡量大的電池包安裝空間，又要兼顧輕量化，這些目標(biāo)給車(chē)身設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。以一款電動(dòng)轎跑車(chē)為例，介紹了一些關(guān)鍵的輕量化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了C-NCAP五星和C-IASI優(yōu)秀的碰撞安全性，以及輕量化系數(shù)2.03的行業(yè)領(lǐng)先水平。
汽車(chē)的輕量化是減少能源消耗、降低排放、節(jié)約材料的重要手段，有著巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，車(chē)身質(zhì)量約占整車(chē)質(zhì)量的24%～32%，車(chē)身輕量化是提升續(xù)駛里程的一個(gè)非常重要的途徑。車(chē)身輕量化并不以追求最輕的質(zhì)量為最優(yōu)目標(biāo)，而是在滿(mǎn)足碰撞安全、平臺(tái)拓展、操縱穩(wěn)定性、強(qiáng)度耐久性及NVH 等的前提下尋求質(zhì)量的最優(yōu)解。
ENRIQUEZ[1]、李木一[2]、張顯煥[3]，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化及靈敏度分析等方法對(duì)全新架構(gòu)的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法用于量產(chǎn)車(chē)型未見(jiàn)報(bào)道。鄭宏立等[4]列舉了基于燃油汽車(chē)車(chē)身開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)車(chē)身的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)和實(shí)例，充分使新舊車(chē)身的零件通用化，使原有的工裝夾具能同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)車(chē)型，實(shí)現(xiàn)二者共線(xiàn)生產(chǎn)。王立成等[5]從提高材料牌號(hào)降低零件厚度、集成化設(shè)計(jì)思路、合理設(shè)計(jì)減重孔、調(diào)整焊接邊尺寸及形狀、多種材料混合車(chē)身等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)白車(chē)身減重，但對(duì)車(chē)身性能的提升未做研究。在新材料應(yīng)用方面，顧磊明等[6]和曹廣祥等[7]研究了1 500、1 800、2 000 MPa 超高強(qiáng)度熱成形鋼的氫致延遲開(kāi)裂行為，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度越高氫脆敏感性越強(qiáng)。曹廣祥等[8]將1 800 MPa 熱成形鋼用于車(chē)門(mén)防撞梁，李彥云等[9]將2 000 MPa 熱成形鋼用于A 柱加強(qiáng)板，但對(duì)氫脆風(fēng)險(xiǎn)沒(méi)有評(píng)判。在零部件集成制造方面，羅成浩等[10]、黃偉男等[11]、錢(qián)得柱等[12]介紹了激光拼焊板一體式熱成形門(mén)環(huán)，比傳統(tǒng)的分件式門(mén)環(huán)提高了碰撞安全性，減少了零件及模具數(shù)量，降低了車(chē)身質(zhì)量，但對(duì)碰撞安全性的詳細(xì)分析不足。近年來(lái)，鋁合金壓鑄取代鋼板焊接件得到越來(lái)越多的應(yīng)用，李迎超等[13]研發(fā)了新型真空高壓鑄鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)件的材料，潛圣汶等[14]將該材料用于壓鑄車(chē)身前輪罩，起到了良好的減重效果，但是沒(méi)有介紹詳細(xì)的工藝分析，并且還未見(jiàn)對(duì)鋁合金壓鑄車(chē)身C環(huán)加強(qiáng)梁的相關(guān)研究。對(duì)于車(chē)身輕量化的評(píng)價(jià)，除了目前國(guó)際上最通用的輕量化系數(shù)法以外，李仲奎等[15]提出了車(chē)身密度法，郎勇[16]介紹了整車(chē)相對(duì)面密度法和整車(chē)輕量化系數(shù)法，呂奉陽(yáng)等[17]通過(guò)引入PALS 策略，將車(chē)身輕量化水平劃分為4 個(gè)區(qū)間，更直觀(guān)地進(jìn)行輕量化水平評(píng)價(jià)。這些評(píng)價(jià)方法適用于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，缺乏對(duì)新能源汽車(chē)車(chē)身輕量化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
本文以合眾新能源汽車(chē)公司的一款電動(dòng)轎跑車(chē)哪吒S 為例，綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)材料和工藝等技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)身的高性能和輕量化。首先設(shè)定車(chē)身性能目標(biāo)：中國(guó)新車(chē)碰撞測(cè)試2021版C-NCAP五星，中國(guó)保險(xiǎn)汽車(chē)安全指數(shù)2020 版C-IASI 優(yōu)秀，BIW （Body in White） 質(zhì)量350 kg 以下，BIP（Body in Process）扭轉(zhuǎn)剛度31 000 Nm/（°）以上，輕量化系數(shù)2.5 以下。接下來(lái)介紹車(chē)身框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，先進(jìn)輕量化材料的應(yīng)用，以及先進(jìn)制造工藝技術(shù)的應(yīng)用。最后分析各項(xiàng)指標(biāo)的達(dá)成情況，討論新能源汽車(chē)車(chē)身輕量化水平的評(píng)價(jià)方法。
1、車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于總布置、電池包、副車(chē)架、座椅、三電選型、增程前艙布置等輸入，車(chē)身框架開(kāi)發(fā)步驟如下：構(gòu)建車(chē)身結(jié)構(gòu)線(xiàn)框圖，用線(xiàn)框圖來(lái)代表車(chē)身乃至整車(chē)中縱橫交錯(cuò)的梁，確定梁的位置與分布，通過(guò)對(duì)標(biāo)和拓?fù)鋬?yōu)化確定其合理性；對(duì)各個(gè)線(xiàn)框圖所代表的梁進(jìn)行必要的截面設(shè)計(jì)及選材；對(duì)各個(gè)梁的交接處進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，也包括工藝性校核；三維模型的建模與優(yōu)化，基于主要性能進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化及靈敏度分析，多輪迭代數(shù)據(jù)。作為重要驗(yàn)證手段的計(jì)算仿真分析CAE 技術(shù)，貫穿了車(chē)身框架開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程。
1.1 基于耐撞性的車(chē)身框架設(shè)計(jì)
基于耐撞性的車(chē)身框架設(shè)計(jì)始于設(shè)置多種碰撞工況下碰撞力的傳遞路徑，多路徑的車(chē)身框架有利于能量的穩(wěn)定傳遞，減少性能的設(shè)計(jì)冗余，從而實(shí)現(xiàn)減重。以25%小偏置碰撞為例，單側(cè)高達(dá)5 條的下車(chē)身傳遞路徑（圖1）有效保證了碰撞框架的穩(wěn)定性，避免了應(yīng)力集中導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效，在保護(hù)電池包安全的同時(shí)提供電池包最大的布置空間。
圖1 正面小偏置碰撞力傳遞路徑
合理設(shè)置吸能區(qū)及折彎區(qū)，以便進(jìn)行充分的吸能，在需要嚴(yán)控侵入量的部位進(jìn)行有效的加強(qiáng)，盡可能減小結(jié)構(gòu)的變形。在MPDB碰撞工況中，圧潰區(qū)及Z 形折彎區(qū)的設(shè)定，乘員艙的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，是對(duì)剛?cè)岵?jì)原則的出色應(yīng)用。
針對(duì)側(cè)面碰撞安全性，以柱碰為例，通過(guò)雙目形鋁門(mén)檻及小吸能盒穩(wěn)定且充分的吸能，電池包與下車(chē)身協(xié)同的4 條傳遞路徑（圖2）有效地進(jìn)行了能量傳遞分散。以激光拼焊一體式熱成形門(mén)環(huán)為代表的高強(qiáng)度車(chē)身框架充分保證了非吸能區(qū)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止電池包側(cè)邊梁及其他結(jié)構(gòu)的侵入，使電芯不受擠壓，保證乘員安全。
圖2 側(cè)面柱碰撞力傳遞路徑
作為傳力路徑的連續(xù)封閉環(huán)，需要在相互協(xié)作，彼此依賴(lài)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的差異化，以便應(yīng)對(duì)不同的碰撞工況。車(chē)身后碰撞的耐撞性通過(guò)多重差異化強(qiáng)度的連續(xù)封閉環(huán)來(lái)提高，如圖3 所示。此外，熱成型后縱梁、由后防撞梁總成及后縱梁后延伸板構(gòu)成的吸能區(qū)（圖3 的環(huán)1），以及電池包防侵入結(jié)構(gòu)（圖3 的環(huán)3），在高速追尾的情況下充分保護(hù)了電池包的安全。
圖3 抗擊后碰的連續(xù)封閉環(huán)
在車(chē)身設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，大量應(yīng)用CAE 仿真模擬來(lái)驗(yàn)證各種碰撞情況的車(chē)身耐撞性。以C-NCAP的100%正面碰撞和MPDB 碰撞為例，圖4 展示了車(chē)身關(guān)鍵部位的模擬侵入量和5 星級(jí)目標(biāo)侵入量，可見(jiàn)模擬值均低于目標(biāo)值，而且有較大安全空間。當(dāng)然，真實(shí)的耐撞性要通過(guò)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，將在后續(xù)部分介紹。
圖4 C-NCAP正面碰撞和MPDB碰撞的仿真結(jié)果
1.2 基于高剛度的車(chē)身框架設(shè)計(jì)
車(chē)身是固定其他零件的載體，高的剛性對(duì)操縱穩(wěn)定性、傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)密封及異響的控制都有重要作用。通過(guò)車(chē)身骨架、電池包框架及副車(chē)架的一體化設(shè)計(jì)，形成了由多個(gè)連續(xù)承力環(huán)組成的籠式框架，如圖5 所示。再對(duì)全部車(chē)身零件進(jìn)行靈敏度分析及經(jīng)驗(yàn)控制，確定最優(yōu)的材料厚度及截面尺寸。
圖5 車(chē)身框架
大截面、高強(qiáng)鋼、材料厚度1.8～2.5 mm 的車(chē)身框架接頭，而且在接頭處增加結(jié)構(gòu)膠，大大提高了車(chē)身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。B 柱上端接頭采用三通結(jié)構(gòu)，C 柱上端結(jié)構(gòu)采用四通結(jié)構(gòu)，且加大搭接區(qū)域。封閉的C 環(huán)內(nèi)部又增加一個(gè)V 型梁，進(jìn)一步提高扭轉(zhuǎn)剛度。
2、材料應(yīng)用
鋁、普通高強(qiáng)度鋼、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、熱成型鋼、塑料的選擇對(duì)輕量化貢獻(xiàn)明顯，但同時(shí)要在輕量化、性能和成本三者之間尋求適當(dāng)平衡。經(jīng)過(guò)多輪優(yōu)化，確定了哪吒S 車(chē)身的材料應(yīng)用（按質(zhì)量占比）：軟鋼16.5%，普通高強(qiáng)鋼10.7%，先進(jìn)高強(qiáng)鋼37.1%，熱成形鋼29.3%，鋁合金6.4%，塑料0.6%。車(chē)身材料分布如圖6所示。
圖6 車(chē)身材料分布
2.1 熱成形鋼的應(yīng)用
為了應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)格的碰撞安全與輕量化的需求，該車(chē)身在碰撞傳力結(jié)構(gòu)件和關(guān)鍵框架結(jié)構(gòu)件上大量使用熱成形鋼，共23 個(gè)件，質(zhì)量占比高達(dá)29.3%，其分布如圖7所示。
圖7 車(chē)身熱成形鋼分布
熱成形鋼的合理利用，除了減輕質(zhì)量外，還帶來(lái)了成本的降低。以圖8 所示的門(mén)檻后部連接板延伸板為例，材料由普通高強(qiáng)度鋼更改為熱成形鋼導(dǎo)致的變化如下：
圖8 熱成形門(mén)檻后部連接板延伸板
1）較分件方案減重15%，由3.763 kg 減重到3.201 kg，單車(chē)減重1.240 kg；
2）減少零件數(shù)量（左右共減少2 個(gè)件），簡(jiǎn)化焊裝生產(chǎn)工藝路線(xiàn)；
3）提升碰撞性能（C-IASI 側(cè)碰的生存空間由95 mm提升到135 mm）；
4）單車(chē)成本減少10.46元；
5）工裝開(kāi)發(fā)費(fèi)降低約24萬(wàn)元。
為實(shí)現(xiàn)全球五星的安全性目標(biāo)、充分保證乘員安全以及獲得更好的輕量化效果，哪吒S 啟用了2 000 MPa 熱成形車(chē)門(mén)防撞梁，如圖9 所示。以前門(mén)防撞板為例，材料由QP980更改為B2000HS，采用W 型截面，主截面尺寸由144 mm×33 mm調(diào)整為111 mm×33 mm，并且采用局部變截面的方式，材料厚度由2.0 mm 減薄到1.6 mm，最終實(shí)現(xiàn)前車(chē)門(mén)防撞板單側(cè)減重0.93 kg，單車(chē)減重1.86 kg，減重比例達(dá)25%。由表1 和表2 可知，21 000 MPa 熱成形車(chē)門(mén)防撞梁對(duì)碰撞性能的貢獻(xiàn)尤為突出，側(cè)碰的動(dòng)態(tài)最大侵入量及動(dòng)態(tài)最大侵入速度均滿(mǎn)足目標(biāo)值，而原QP980方案無(wú)法滿(mǎn)足其中的11個(gè)目標(biāo)。
表1 側(cè)碰動(dòng)態(tài)最大侵入量
表2 側(cè)碰動(dòng)態(tài)最大侵入速度
圖9 熱成形2 000MPa車(chē)門(mén)防撞梁
如前文所述，2 000 MPa 熱成形鋼的氫脆風(fēng)險(xiǎn)值得關(guān)注。鍍層鋼板在爐內(nèi)加熱奧氏體化的時(shí)候，內(nèi)部的氫原子不容易擴(kuò)散，氫脆風(fēng)險(xiǎn)比較高。此外，零件如果在服役過(guò)程中承載應(yīng)力集中，尤其是產(chǎn)生交變應(yīng)力，就容易匯聚氫原子，導(dǎo)致脆裂。車(chē)門(mén)防撞梁平時(shí)并不受力，只有發(fā)生碰撞時(shí)才起作用，而且哪吒S 使用的是裸板，所以氫脆風(fēng)險(xiǎn)較低。A 柱加強(qiáng)板內(nèi)板也使用了2 000 MPa 熱成形鋼裸板。
2.2 鋁合金的應(yīng)用
近年來(lái)鋁合金板材、型材、鑄件均在車(chē)身上得到應(yīng)用。基于對(duì)車(chē)身性能、減重效果、可維修性和成本的綜合考慮，該車(chē)身首選鋁合金型材，其次是鋁合金鑄件，暫時(shí)沒(méi)有用鋁合金板材。圖10 展示了鋁合金的分布，共6個(gè)件，質(zhì)量占比6.4%。
圖10 車(chē)身鋁合金分布
前、后防撞梁是車(chē)身安全中的重要零件，鑒于鋁合金相比鋼材料有密度小、吸收能量效果好的特性，用鋁合金結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，優(yōu)化截面、合理設(shè)置吸能區(qū)，實(shí)現(xiàn)前、后防撞梁減重30%～50%。以如圖11所示的前防撞梁總成為例，對(duì)比不同材料和工藝的減重效果，可見(jiàn)鋁合金的減重效果最佳，相對(duì)于熱成形件減重約42%。
圖11 不同材料前防撞梁輕量化效果
為了保證側(cè)面柱碰過(guò)程中動(dòng)力電池電芯安全，在門(mén)檻內(nèi)部需要布置加強(qiáng)梁，如圖12 所示。在激光拼焊一體式熱成形門(mén)環(huán)（零件1）與熱成形門(mén)檻梁（零件2）之間增加鋁制門(mén)檻內(nèi)加強(qiáng)梁（零件3），充分利用Y 向空間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且良好的吸能。通過(guò)截面形狀優(yōu)化，從圓形、矩形、“日”形、“目”形逐漸迭代到雙“目”形，且在不同的部位設(shè)定不同的材料厚度，保證了門(mén)檻穩(wěn)定的吸能性。鋁制加強(qiáng)梁表現(xiàn)了圧潰而不翻轉(zhuǎn)的優(yōu)良特性，而且與鋼制管梁相比，減重了50%以上。
圖12 門(mén)檻處截面
為了兼顧輕量化、NVH、模態(tài)和靜剛度等需求，在車(chē)身C 環(huán)處布置了梁類(lèi)結(jié)構(gòu)，以強(qiáng)化C 環(huán)傳遞路徑和扭轉(zhuǎn)剛度作為核心設(shè)計(jì)指標(biāo)。首先，確認(rèn)梁可布置的整車(chē)空間，尋找到最優(yōu)的位置。其次，在確定的可安裝連續(xù)區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，即通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系，重新定義材料在零件上的分配?；谧兠芏确ǖ耐?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖13 所示，基本上是V型結(jié)構(gòu)。
圖13 C環(huán)加強(qiáng)梁的拓?fù)鋬?yōu)化
拓?fù)潢P(guān)系確定之后，進(jìn)行形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，以剛度最大和質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，確定主路徑上的斷面尺寸。該V 型梁在材料和工藝方面有兩種選擇，一種是鋼板沖壓件焊接總成，另一種是鋁合金整體壓鑄。對(duì)兩種方案進(jìn)行比較，沖壓V 型梁和壓鑄鋁V 型梁對(duì)BIP 扭轉(zhuǎn)剛度的提高分別是3 668 Nm/（°）和5 540 Nm/（°），而質(zhì)量分別為2.73 kg 和1.62 kg，見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，壓鑄鋁V 型梁不僅更有效提高扭轉(zhuǎn)剛度，而且質(zhì)量更輕。由于V 型梁對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的大幅提升，在滿(mǎn)足車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下，可以適當(dāng)改變其他零件的材料厚度或者形狀，實(shí)現(xiàn)了總體減重約6 kg。
表3 不同材料V型梁的性能和重量對(duì)比
該鋁合金V 型梁選用適合高壓鑄造的AlSi10 MnMg，其屈服強(qiáng)度不低于140 MPa，抗拉強(qiáng)度不低于230 MPa。為確保在車(chē)輛服役過(guò)程中V 型梁滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)時(shí)使用CAE 進(jìn)行仿真分析，預(yù)示最大應(yīng)力為107 MPa，低于材料的屈服應(yīng)力，結(jié)果如圖14所示。
圖14 壓鑄鋁V型梁的應(yīng)力分布
依據(jù)產(chǎn)品形狀，設(shè)計(jì)了如圖15 所示的壓鑄澆排方案，壓鑄工藝參數(shù)如表4所示。
表4 鋁V型梁壓鑄工藝參數(shù)
圖15 壓鑄鋁V型梁的澆排方案
2.3 其他輕量化材料的應(yīng)用
除了熱成形鋼和鋁合金，哪吒S 車(chē)身還使用了其他的輕量化材料。A 柱上使用空腔CBS（Composite Body Solutions），用以塑代鋼的思路來(lái)提升A 柱上的抗彎性能，從而降低對(duì)A 柱上鈑金強(qiáng)度的依賴(lài)，通過(guò)料厚的減薄實(shí)現(xiàn)減重，同時(shí)也降低了對(duì)造型在A 柱上的要求，減小了A 柱盲區(qū)。使用中高彈性模量的玻璃膠，提升靜剛度，為車(chē)身的減重提供靜剛度的余量。外覆蓋件使用烘烤硬化鋼板來(lái)提升抗凹性能，實(shí)現(xiàn)料厚的減薄降重。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和CAE 分析手段相結(jié)合，優(yōu)化了各關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)，減輕了質(zhì)量的同時(shí)也提升了結(jié)構(gòu)的剛度。
3、制造技術(shù)
3.1 沖壓技術(shù)
激光拼焊板一體沖壓成形技術(shù)在車(chē)門(mén)內(nèi)板得到了廣泛應(yīng)用，哪吒S 的四門(mén)內(nèi)板均采用了該技術(shù)，將不同厚度的鋼板激光焊接到一起，然后一起沖壓成形，取得較好的輕量化效果。以左前門(mén)內(nèi)板為例（圖16），前部板材為DC56D+Z，厚度為1.2 mm，后部板材也是DC56D+Z，但厚度為0.65 mm，相對(duì)于整體厚度1.2 mm 的前門(mén)內(nèi)板，單側(cè)減重2.607 kg，減重約31%。綜合考慮窗框、門(mén)鎖等局部加強(qiáng)導(dǎo)致的材料增加，也能減重15%以上。
圖16 左前門(mén)內(nèi)板材料分布
通常汽車(chē)側(cè)圍加強(qiáng)板工藝順序是先成形再焊接，由沖壓工序生產(chǎn)出來(lái)的上邊梁加強(qiáng)板、A 柱加強(qiáng)板上部、A 柱加強(qiáng)板、側(cè)邊梁加強(qiáng)板、B 柱加強(qiáng)板5 種沖壓件，運(yùn)輸?shù)胶秆b車(chē)間，在焊接夾具上夾緊定位并通過(guò)點(diǎn)焊焊接成側(cè)圍加強(qiáng)板總成。這種焊接成的側(cè)圍加強(qiáng)板總成焊接工藝復(fù)雜，由于點(diǎn)焊焊接搭接邊工藝要求，其整體質(zhì)量相對(duì)較重。
為了在各種碰撞工況中最大程度保證乘員與電池包安全，需要嚴(yán)格控制乘員艙的侵入量，特別是25%小偏置碰撞工況中的侵入量。在保證安全的同時(shí)，為了獲得更大的輕量化效果，哪吒S 選用激光拼焊一體式熱成形側(cè)圍加強(qiáng)板，也稱(chēng)為一體式門(mén)環(huán)，如圖17所示。
圖17 激光拼焊一體式熱成形門(mén)環(huán)
一體式門(mén)環(huán)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)落料—激光拼焊—熱沖壓—鐳射等工序，其中熱沖壓工序?yàn)楸容^困難的工藝步驟。該門(mén)環(huán)由5 塊不同料厚的HC950/1300HS 的板料組成，整體沖壓成形的深度比5 種沖壓件單獨(dú)成形增加約20%，加大了成形難度，而且材料厚度的差異也導(dǎo)致了板料在模腔內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜性，整個(gè)成形工藝經(jīng)過(guò)CAE 仿真分析和改進(jìn)。
激光拼焊一體式門(mén)環(huán)減少了單件焊接的搭接重疊部分，相對(duì)于傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼分件方案，減重22%，左右共減少6 個(gè)零件。傳統(tǒng)的分件總成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度受點(diǎn)焊數(shù)量的影響，而一體式結(jié)構(gòu)的連續(xù)激光焊縫可大大提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。以25%小偏置碰撞為例，結(jié)算結(jié)果見(jiàn)表5，一體式方案能保證乘員艙上部侵入量達(dá)標(biāo)，而分件式方案卻不能，其他指標(biāo)也都得到較大提升。
表5 分件方案與門(mén)環(huán)方案25%偏置碰撞性能對(duì)比
3.2 焊裝技術(shù)
焊裝工藝流程如圖18 所示，其中用到了電阻點(diǎn)焊、二氧化碳CO2 保護(hù)電弧焊、CMT （Cold Metal Transfer）電弧焊、螺柱焊、拉鉚接、螺栓連接及膠接。焊裝線(xiàn)的自動(dòng)化率達(dá)到98%，其中點(diǎn)焊的自動(dòng)化率為100%，弧焊的自動(dòng)化率為60%。開(kāi)閉件總成采用機(jī)器人柔性包邊，自動(dòng)化率為100%。尺寸控制點(diǎn)2 539 個(gè)，其中功能尺寸點(diǎn)337 個(gè)，在線(xiàn)視覺(jué)沖孔和在線(xiàn)測(cè)量保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。數(shù)字化方面，生產(chǎn)線(xiàn)采用自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)防錯(cuò)、自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化、MES （Manufacturing Execution System） 信息化融合。
圖18 焊裝工藝流程圖
3.3 涂裝技術(shù)
涂裝工藝采用新能源車(chē)企主流的免中途水性漆B1B2（BaseCoat1：BaseCoat2）工藝，其流程如圖19所示。用效果中涂替代傳統(tǒng)中涂工藝，取消中涂烘干，減少烘干設(shè)備投入。免中涂水性漆環(huán)保工藝，實(shí)現(xiàn)廢氣清潔排放。薄膜前處理+陰極電泳，廢水有害金屬零排放。車(chē)身外表面全機(jī)器人噴涂，引進(jìn)水性阻尼膠環(huán)保工藝，ISS （Integrated Sealing System）/LASD （Liquid Applied Sound Deadener）采用7 臺(tái)機(jī)器人作業(yè)，自動(dòng)化率高達(dá)80%。10 套顏色系統(tǒng)，可滿(mǎn)足10 種顏色噴涂，2 套線(xiàn)邊小循環(huán)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多種小批量顏色噴涂。工藝設(shè)備共分9項(xiàng)，滿(mǎn)足車(chē)身防腐、油漆噴涂、車(chē)身密封、清潔排放等功能，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保生產(chǎn)。前處理電泳清理車(chē)身表面油污及污染物，形成薄膜涂層，為電泳提供良好車(chē)身底層。機(jī)器人底部膠及油漆噴涂，保證車(chē)底抗石擊性能及優(yōu)良的車(chē)身外觀(guān)效果。集中供漆/膠/蠟為機(jī)器人噴涂及人工噴涂提供油漆材料，保證油漆材料的性能不變質(zhì)。廢氣焚燒滿(mǎn)足環(huán)保要求，廢氣達(dá)標(biāo)排放。
圖19 涂裝工藝流程圖
4、性能驗(yàn)證
4.1 碰撞性能
工程樣車(chē)送到國(guó)家級(jí)碰撞試驗(yàn)中心進(jìn)行驗(yàn)證，圖20所示為4種碰撞的視頻截圖。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為C-NCAP 五星，C-IASI 優(yōu)秀，均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)包含很多個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)，例如中國(guó)保險(xiǎn)汽車(chē)安全指數(shù)C-IASI的測(cè)評(píng)包括耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性和車(chē)內(nèi)乘員安全性?xún)纱箢?lèi)，車(chē)內(nèi)乘員安全性又包括正面25%小偏置碰撞、側(cè)面碰撞、車(chē)頂強(qiáng)度和座椅頭枕4 個(gè)方面。以其中的25%小偏置碰撞為例，詳細(xì)分析各項(xiàng)指標(biāo)的達(dá)成情況。如表6 所示，25%小偏置碰撞造成的車(chē)內(nèi)乘員損傷細(xì)分為頭部-頸部、胸部、膝蓋-大腿-髖部、和小腿-腳部，頭部-頸部包括頭部損失指標(biāo)、頸部損傷指標(biāo)、拉伸力、壓縮力，胸部包括加速度、壓縮速率、粘性指標(biāo)、壓縮變形量，小腿-腳部包括膝關(guān)節(jié)滑動(dòng)位移、脛骨指標(biāo)、脛骨軸向力、腳部最大合成加速度。從表中數(shù)據(jù)可以看出，哪吒S的純電版和增程版的13個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)秀，從而使綜合的25%小偏置碰撞評(píng)價(jià)是優(yōu)秀。
表6 中保指25%小偏置碰撞乘員損傷結(jié)果
圖20 整車(chē)碰撞試驗(yàn)視頻截圖
4.2 輕量化水平
實(shí)車(chē)測(cè)量白車(chē)身骨架BIW 質(zhì)量為349.6 kg，BIW 扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度分別為17 300 Nm/（°）和17 040 N/mm，包括前后風(fēng)擋、前端框架、前后碰撞橫梁、副車(chē)架及電池包總成的BIP 扭轉(zhuǎn)剛度為和彎曲剛度分別為34 050 Nm/（°）和22 600 N/mm。用目前國(guó)際通用的車(chē)身輕量化系數(shù)計(jì)算公式（1）可得哪吒S 車(chē)身輕量化系數(shù)為2.03，與最近幾年歐洲車(chē)身年會(huì)公布的44 款車(chē)型的輕量化系數(shù)對(duì)比，如圖21 所示。圖中藍(lán)色代表全鋼及以鋼為主的車(chē)身，綠色代表鋼鋁混合車(chē)身。
圖21 車(chē)身輕量化系數(shù)對(duì)比
新能源汽車(chē)的電池包對(duì)車(chē)身的剛度有貢獻(xiàn)，不帶電池包測(cè)量車(chē)身的剛度沒(méi)有實(shí)際意義，而在計(jì)算車(chē)身輕量化系數(shù)的時(shí)候依據(jù)定義又沒(méi)有包含電池包的質(zhì)量。電池包對(duì)車(chē)身剛度的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于電池包殼體，既然電池包殼體對(duì)剛度的貢獻(xiàn)被考慮了，那么其質(zhì)量也應(yīng)該被考慮，對(duì)式（1）進(jìn)行修改如式（2），其中m為電池包殼體的質(zhì)量62.8 kg，計(jì)算所得輕量化系數(shù)為2.39。用兩種計(jì)算方法得到的輕量化系數(shù)排名都比較靠前，說(shuō)明哪吒S 的車(chē)身輕量化水平較高。
對(duì)比BIW 和BIP 的剛度值，可以看出電池包對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)非常大，幾乎提高了一倍。正是由于這個(gè)原因，與傳統(tǒng)燃油車(chē)對(duì)比，電動(dòng)車(chē)的車(chē)身骨架可以適當(dāng)弱化、輕量化。用BIW扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算輕量化系數(shù)，如式（3）所示，所得結(jié)果為3.99，也可以看出電池包對(duì)輕量化系數(shù)影響較大。
5、結(jié)語(yǔ)
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料和先進(jìn)制造技術(shù)的綜合使用，可以有效實(shí)現(xiàn)車(chē)身的輕量化。本文以新能源轎跑車(chē)哪吒S 為例，介紹了車(chē)身框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)、激光拼焊一體式熱成形門(mén)環(huán)、壓鑄鋁V 形梁、鋁型材門(mén)檻加強(qiáng)梁、門(mén)內(nèi)板激光拼焊技術(shù)，以及2 000 MPa 熱成形鋼的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了碰撞安全全球五星、中保指碰撞優(yōu)秀、BIP 扭轉(zhuǎn)剛度34 050 Nm/（°）等優(yōu)異的性能，輕量化系數(shù)達(dá)到2.03，居于行業(yè)領(lǐng)先水平。新能源汽車(chē)車(chē)身輕量化系數(shù)的計(jì)算方法，需要業(yè)界人士討論交流，就是否包含電池包殼體質(zhì)量達(dá)成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
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